化學滲透假說

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簡介

1961年，英國生物化學家彼得·丹尼斯·米切爾創造了化學滲透假說這一術語。這是一種生物學過程，解釋了葉綠體中光合作用的ATP合成。在這個過程中，ATP和NADP都由光反應產生，並作為暗反應的關鍵組成部分，透過光合作用產生最終產物，即葡萄糖。

根據該假說，ATP的產生是由於類囊體膜中產生的質子梯度。質子泵和ATP合酶也很重要。ATP合酶具有兩個亞基——F⁰和F¹。當F¹啟用酶時，它會改變其構型，而F⁰則充當跨膜通道。該複合物將ADP磷酸化為ATP。

什麼是光合作用？

光合作用是各種植物、藻類和藍細菌利用的光生理和光化學過程，透過吸收光能和二氧化碳，並將它們轉化為化學能，最終產生葡萄糖、氧氣和水。

$$ \mathrm{6CO_{2}+6H_{2}O\rightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+6O_{2}} $$

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光合作用的特徵

• 它發生在植物的葉綠體中，併產生食物和能量以維持生命。

• 它們是自養生物，也是我們生態系統中理想的初級生產者。

• 葉片的葉肉組織含有含有葉綠素的盤狀類囊體結構的葉綠體。

• 使用陽光、水和二氧化碳作為原料。

• 透過將光能轉化為化學能來產生氧氣和葡萄糖。

• 在光反應過程中將能量儲存在ATP中。

• 利用最終產物葡萄糖在基質中進行卡爾文迴圈。

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光合作用過程中發生了什麼？

• 植物具有胡蘿蔔素、葉綠素a、葉綠素b、葉黃素等色素，這些色素導致葉綠體類囊體腔內的光合作用。

• 自養生物能夠利用二氧化碳、水和陽光進行光合作用，透過光化學反應產生葡萄糖和氧氣。

• 這些產物進一步被植物或其他自養生物用來產生其生長所需的必要代謝物、酶、激素和其他因素。

• 它們可以以碳水化合物或澱粉的形式儲存，並在需要時重新轉化為葡萄糖。

• 這種重建的葡萄糖可以用於細胞呼吸並釋放儲存的能量。

化學滲透假說：過程

該理論認為葡萄糖代謝產生富含能量的乙醯輔酶A作為副產物。線粒體基質氧化乙醯輔酶A，並與NAD和FAD的還原形式相關聯。這些載體分子將電子運輸到存在於線粒體內膜中的電子傳遞系統。然後供應電子傳遞鏈的蛋白質。電子能量將質子從線粒體內膜基質泵出。它將能量儲存在跨膜電化學梯度中。ATP合酶有助於將質子返回內膜並承受穿過基質的質子流。它們積累能量以磷酸化或整合ADP和無機磷酸鹽以產生ATP。

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程式

• 主要成分是質子梯度、質子泵、ATP合酶和FAD和NAD等載體分子。

• ATP合酶的亞基(F⁰和F¹)參與整個膜的質子轉移，分別改變F¹模式以啟用酶。

• 該酶將ADP磷酸化以產生ATP。

• 在自養生物中，主要是在植物中，葉綠素在光反應過程中藉助光系統吸收陽光。

• 由水解形成的電子和質子被激發並躍遷到更高的能級。

• 電子傳遞系統運輸電子，而從基質釋放的氫離子在膜內積累，並透過電子傳遞鍊形成質子梯度。

• 光系統I利用一些質子透過從水分解獲得的電子來還原NADP+到NADPH。

• 坍塌後，質子梯度釋放能量、熱量和質子。

• F⁰透過跨膜通道將質子帶回基質。

• 釋放的能量改變F¹構型並靶向ATP合酶。

• 因此，酶將ADP轉化為ATP。

結論

含有葉綠素的植物和其他自養生物能夠進行光合作用。它們吸收陽光、水和二氧化碳，並透過與光系統、色素和其他複合物相關的一些光化學反應將它們轉化為葡萄糖和氧氣。在這個過程中，水分裂產生H+和OH-。電子被激發並躍遷到更高的能級，質子透過ETC線上粒體膜中整合形成質子梯度。一些質子操縱NADP+到NADPH。然後質子梯度下降並釋放熱量、能量和質子，這些質子由F⁰跨膜通道帶回基質，並透過刺激ATP合酶和透過ADP磷酸化轉換為ATP來改變F¹構型。

常見問題

Q1.什麼是捕光復合物？

A1.捕光復合物，也稱為天線複合物，是膜結合蛋白和感光色素（例如葉綠素a、b、類胡蘿蔔素等）的集合，植入葉綠體的類囊體膜上。它將光能轉移到光系統反應中心的色素分子。

Q2.說明光系統的波長吸收能力。

A2.光系統有兩種型別——光系統I和II。光系統I位於類囊體基粒和基質片層的外膜上，而光系統II位於內基粒膜上。PS-I吸收>680，可能為700 nm，而PS-II吸收≤680nm。

Q3.定義反應中心。

A3.它是幾種色素、蛋白質和輔助因子的複雜整合，用於透過光合作用進行初級能量轉換反應。

Q4.天線複合物如何在非迴圈磷酸化中發揮重要作用？

A4.在非迴圈磷酸化光依賴性反應中，光系統II天線複合物的色素分子吸收光子。光系統II電子傳遞鏈的初級電子受體從反應中心吸收激發的電子。

Q5.NADH在電子傳遞鏈中產生多少ATP？說明該過程。

A5.

• NADH將電子傳遞給複合物以泵送質子。

• 它將電子傳遞給複合物I並泵送4個質子。

• 然後傳遞給複合物III再次泵送4個質子。

• 最後，它將電子傳遞給複合物IV並泵送2個質子。一個迴圈中總共10個質子從基質運輸到膜間隙。

• 4個質子可以刺激ATP合酶透過磷酸化將ADP轉化併產生1個ATP。

因此，對於NADH = 10/4 = 2.5 ATP/NADH產生。